面向智能制造的切削加工过程感知虚拟仿真研究

田相克* ,马保聪* ,张成雷

摘要：虚拟仿真实验教学项目的建设，能在一定程度上弥补传统实验教学的不足。探索技术与教学的融合机制，加强虚拟现实基础技术与应用基础研究，明确实验教学项目建设的评价标准，通过拓展实验教学场景、促进技术发展以提升虚拟实验的可信度和效度、全方位且多层次变革实验教学理念。通过开展面向智能制造的切削加工过程感知虚拟仿真实验，学生可系统学习面向智能制造的切削加工过程感知虚拟仿真，可为我国高校虚拟仿真实验教学的建设与发展提供方向性指导。

关键词：智能制造；切削加工；虚拟仿真；实验教学

1引言

实验教学是帮助学生理解客观世界运动规律、掌握知识生产能力的重要方式，是在客观知识学习与实践技能培养之间建立联系的有效手段[1]。利用新兴信息技术建设虚拟实验教学平台，有助于解决知识学习与实践技能获得之间的鸿沟。高校陆续开展在线虚拟仿真实验教学项目。浙江师范大学逯行等认为高校虚拟仿真实验教学的重要发展趋势是通过线上线下融合的形式，不断拓展实验教学的场景，促进技术发展以提升虚拟仿真实验的可信度和效度，全方位、多层次变革实验教学理念[2]。田英开发了丰富的面向智能制造的虚拟仿真实验教学资源，构建了新型实验教学体系[3]。但目前许多高校虽然已有一部分机械设备，但数量较少，种类欠缺，且配套不完整，无法满足众多专业相关教学培训的需要，因此急需开放式虚拟仿真实验教学系统，为学院科研及学科建设继续提供强有力支持。

2虚拟仿真实验教学策略

2.1实验原理

采用三维建模模拟真实的五轴加工中心切削加工及相关参数监控实验场景,以三维动画的形式展现数控车床、五轴加工中心等设备,可在45#钢、淬硬钢、钛合金、高温合金中对任意一种材料进行加工过程监测，可以对切削力、切削温度的监测，切削加工过程中，支持手动输入刀具转速、进给量、切深、刀具直径等加工参数，系统自动判断输入参数的合理性，对不合理的参数设置进行醒目的警示提醒，系统支持利用经验公式对用户输入的合理的加工参数进行计算，得到切削力、切削温度的理论值，实时监控切削加工过程中的各项参数，对超限的参数进行醒目的报警提示，展现切削加工过程中切屑不断飞出的效果。本实验项目包含三维建模模拟真实的五轴加工中心切削加工及相关参数监控实验场景；合理选择加工参数；实时监控切削加工过程中的各项参数三个知识点。

2.2采用的教学方法

虚拟仿真实验是信息技术与实验教学的深度融合产物，极大地拓展了学生的学习资源和空间，特别适应现代的发展，以及丰富了学生学习模式，特别是可以虚拟仿真大型试验设备数量少的实验，弥补了不能开设这样课程的不足。

这样的实验教学方法，开创了线上线下教学相结合的个性化、智能化、现代化实验教学新模式，将基于网络的远程教学和基于翻转课堂的引导式、开放式教学相结合，强烈激发了学生的实验兴趣，极大提高了学生的实验操作的技能。

改变教师传统的注入式教学方式，强调“以学生为中心”的实验教学理念，将学习资源开放，学习空间开放，以学生自己学习为主，教师指导为辅，教师尊重学生的想法，鼓励、引导学生主动学习，教师与学生融合成一体，共同完成实验项目而使学生获取知识和技能。

2.3实施过程

仿真平台上，虚拟仿真实验教学一共设置了预习、演示、学习、考核和报告5个系统,

（1）基于翻转课堂的引导式、开放式教学，教师提前布置预习任务，以预习考核方式引导学生主动预习.

设计性、综合性实验在学校虚拟仿真开放式实验室进行。

学习过程如下：

图1虚拟仿真实验教学学习过程

仿真平台向学生开放，在规定的时限内，学生登录仿真平台进入“预习”系统预习实验。

（2）学生学习仿真实验并进行考核、撰写实验报告

学生在理论学习、预习后，需在开放式虚拟仿真实验教学管理凭条中进行考核，考核成绩合格后，方能取得学习仿真实验的资格，授课教师才向其开放仿真学习资源。

学生完成预习内容后，进行预习考核，并提交给老师

课后复习：基于网络的远程教学

该教学方式充分利用了“虚拟仿真实验”的现代信息技术特点，可以实时培训，避免人力财力大量消耗，学生可以自由在任何地方时时刻刻体验，不受时间和空间限制，在教师引导下，学生通过网络智能化学习。

3 面向智能制造的切削加工过程感知虚拟仿真实现

3.1实验方法描述

智能制造虚拟仿真教学系统让学生系统地学习智能制造工厂的各个方面。从零件库中调取零件，通过仓储单元、运输单元、加工单元、检测单元、装配单元，进行零件仿真加工、检测与装配。零件在自动化立体仓库中由堆垛机与出入库平台进行运输，学生可学习如何操作自动化立体仓库进行零件出入库、移库等功能；零件经有轨RGV小车与行走机器人进行运输，学生可学如何操作运输单元进行零件RGV运料、机器人搬运等功能；零件进入加工单元进行加工制造，学生可以学习各个加工设备配套工装、夹具、刀具操作；零件进入检测单元进行相关形位公差检测，学生可以学习如何操作检测装置，判断零件是否合格；零件进入装配单元进行装配，学生可学习零件装配。由此可以让学生了解并掌握各个单元的原理与使用方法。

3.2学生交互性操作步骤

1）实验场景中查看设备介绍。

2）依次调整百分表、选择材料、输入加工参数，得到零件加工中提示。

3）若参数设置不当，得到加工警告，提示切削力过大，建议减小进给量和切深ap。

4）刀头已剧烈磨损，请右键刀头换刀，得到加工警告换刀提示。

5）加工结束后，查看切屑，按机床主轴侧面按钮，安装红宝石测头，得到不同切屑条件下的切屑形态示意图。

4结语

面向智能制造的切削加工过程感知虚拟仿真实验项，在示范教学过程中，强调关键步骤和安全注意事项，理论与技能并重。学生通过完成教学项目，既掌握实践技能，又掌握相关安全知识，既学习课程，又学习工作方法帮助解决问题，能够充分发掘学生创造潜能，提高了学生解决实际问题的综合能力，提升了智能制造实验教学质量和水平，促进和提升学生的专业实践能力。

参考文献

[1]刘宁.虚拟仿真实践训练在化工生产实习中的探索[J].教育现代化,2016,(21):121-122、131.

[2]逯行，朱陶，徐晶晶等. 高校虚拟仿真实验教学的基本问题与趋势[J].现代教育技术，2021,31(12):61-68.［3］田英，王兴波，傅贵武等. 工程教育背景下智能制造虚拟仿真实验教学平台建设[J]. 中国设备工程，2021,04(上):214-215.

作者简介：田相克，1975.4.23,男，汉族 籍贯：山东临沂市人，学历：博士研究生，学校及职称：临沂大学副教授，研究方向：数字化设计与制造

【基金课题】1.2019年度创新创业教育示范项目，临沂大学虚拟仿真实验教学项目，XNFZ1901；

2.山东省教学改革项目，在新三全育人理念引导下的“四破四立四协同”新工科机械类人才培养模式研究，JG2021Z14。